潘衛(wèi)民

中國科學(xué)院高能物理研究所

《現(xiàn)代物理知識》

什么是射頻超導(dǎo)(也稱為超導(dǎo)高頻)技術(shù)?大家知道，加速器無論大小，都有一個(gè)高頻加速系統(tǒng)，是用來給高速的帶電粒子提供動能使其加速或維持其能量的，相當(dāng)于汽車的發(fā)動機(jī)，這是加速器的核心系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)中的核心設(shè)備是高頻加速腔，可采用常溫結(jié)構(gòu)，也可采用超導(dǎo)結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)結(jié)構(gòu)的腔具有連續(xù)波工作時(shí)加速梯度較高、束流孔徑較大因而束流性能較好、運(yùn)行穩(wěn)定以及對高頻功率要求較低等優(yōu)點(diǎn)。采用超導(dǎo)腔就涉及到射頻超導(dǎo)技術(shù)(或超導(dǎo)高頻技術(shù))。高能物理研究所的射頻超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展歷史并不長，只有二十多年。我們幾乎從零開始，看了一些有限的國外資料，便開始了射頻超導(dǎo)腔的設(shè)計(jì)和研究。當(dāng)然，那時(shí)還是一張白紙、知之甚少、如履薄冰。二十多年過去了，隨著國家基礎(chǔ)研究的大力投入，特別是基于加速器的國家大科學(xué)裝置陸續(xù)建設(shè)，射頻超導(dǎo)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。高能物理研究所的射頻超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多次的峰回路轉(zhuǎn)、潮起潮落，一直在波浪前進(jìn)，隨著國家經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展而高潮迭起。展望未來，其前景廣闊而光明，但技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用遠(yuǎn)沒有達(dá)到頂峰，創(chuàng)新也永無止境，前浪后擁、鏖戰(zhàn)猶酣。

一、起步

高能所在加速器里采用超導(dǎo)高頻腔的想法起始于1995 年，在當(dāng)時(shí)所領(lǐng)導(dǎo)的帶領(lǐng)下，開始了陶-粲粒子工廠的可行性研究。其中，加速器在采用超導(dǎo)高頻腔或是常溫高頻腔的問題上展開了論證。高頻腔的頻率物理上已確定為500 MHz，在國際上這個(gè)頻率的腔是主力腔型，這個(gè)頻率的高頻功率發(fā)射機(jī)也是商業(yè)產(chǎn)品。但當(dāng)時(shí)我們沒有接觸過任何超導(dǎo)高頻，可以說一無所知，只是在國外的文章上看到一些介紹，略微了解皮毛而已，而使用超導(dǎo)高頻腔是國際上正在建設(shè)和正在規(guī)劃的大型加速器的首選，超導(dǎo)加速器的采用是未來的發(fā)展趨勢。在這種情況下，我們開始了加速器高頻系統(tǒng)的論證，重點(diǎn)論證超導(dǎo)方案，不但論證超導(dǎo)腔本身，還有腔的高功率輸入耦合器及高次模耦合器的方案。經(jīng)過兩年的調(diào)研和方案討論，對超導(dǎo)高頻腔的國際發(fā)展動態(tài)、研發(fā)的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)、穩(wěn)定運(yùn)行以及運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)等問題做了深入的調(diào)研，以便項(xiàng)目立項(xiàng)和實(shí)施后可開展對撞機(jī)超導(dǎo)高頻腔的預(yù)研工作。

這項(xiàng)論證性研究工作約歷時(shí)兩年，后因陶-粲粒子工廠項(xiàng)目的研究終止，超導(dǎo)高頻腔的前期研究也隨之告一段落。后來便開始北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造工程的可行性研究。

這里值得一提的是，在上個(gè)世紀(jì)末和本世紀(jì)初，我們就開始了1.5 GHz單cell 超導(dǎo)腔的研發(fā)，還投入了一批人力物力與北京大學(xué)聯(lián)合成立了射頻超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，我們研發(fā)出了1.5 GHz的超導(dǎo)腔，為高能所后續(xù)超導(dǎo)腔的快速發(fā)展打下了一定的基礎(chǔ)。

二、跟跑

2000 年起隨著北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造工程(BEPCII)前期工作的開始，我們也開始了其中的高頻加速系統(tǒng)的論證。高頻系統(tǒng)無論是對于過去的北京正負(fù)電子對撞機(jī)(BEPC)還是即將開始建設(shè)的BEPCII，都是至關(guān)重要的系統(tǒng)。其重要性自不必說，從以往的經(jīng)歷來看，需要克服的困難和出現(xiàn)的問題也比較多，因此從工程領(lǐng)導(dǎo)到研究人員都對其格外重視。當(dāng)時(shí)圍繞著是用超導(dǎo)高頻腔還是用常溫高頻腔的選擇問題展開論證研究。當(dāng)時(shí)的狀況是，超導(dǎo)腔是流行趨勢，也是國際前沿技術(shù)，我們沒有真正做過，更沒有用過。專家們也在不斷提問：超導(dǎo)腔和常溫腔比較哪個(gè)更省功率?技術(shù)挑戰(zhàn)有哪些?你們能不能運(yùn)行好?等等。我們花了很多時(shí)間來做調(diào)研和超導(dǎo)高頻系統(tǒng)的預(yù)研工作，特別是超導(dǎo)高頻腔的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，深感責(zé)任重大、如履薄冰。最后，根據(jù)考慮論證結(jié)果，BEPCII 工程經(jīng)理部決定選擇超導(dǎo)高頻系統(tǒng)，采用兩個(gè)超導(dǎo)高頻腔(如果采用常溫腔則需要六個(gè)腔)加速的方案，頻率為500 MHz，這也是國際上用得比較多的工作頻率。當(dāng)時(shí)高能所和日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)(KEK)簽署了合作框架協(xié)議，日本幫助我們研發(fā)500 MHz超導(dǎo)腔，腔的研制交給日本三菱重工，我們不斷地派人去日本KEK學(xué)習(xí)，重點(diǎn)是學(xué)習(xí)他們的508 MHz超導(dǎo)腔的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。研制期間，我們經(jīng)常去日本三菱重工檢查和學(xué)習(xí)制造過程及調(diào)試方法。經(jīng)過兩年多的跟蹤學(xué)習(xí)和實(shí)踐，我們也基本掌握了超導(dǎo)腔的選材、加工、調(diào)諧、后處理和測試的過程及關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2006年，BEPCII的兩套500 MHz超導(dǎo)腔系統(tǒng)完成了系統(tǒng)集成，并在高能所做了測試，結(jié)果滿足BEPCII 的要求。這是高能所第一次真正意義上合作研發(fā)出的用于實(shí)際工程的超導(dǎo)高頻腔，也是中國的第一套用于實(shí)際工程的超導(dǎo)腔系統(tǒng)。下面是中日合作的兩套高頻腔系統(tǒng)研發(fā)歷程：

? 2002年：完成了調(diào)研、技術(shù)設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì);

? 2003年：完成了超導(dǎo)腔的招標(biāo);

? 2005年：完成了超導(dǎo)腔的垂直測試;

? 2006 年：完成了超導(dǎo)腔的整體組裝和水平測試——這是國內(nèi)首次;10 月首次投入BEPCII 運(yùn)行——國內(nèi)首次使用!

投入BEPCII 工程后，經(jīng)過半年左右的束流調(diào)試，終于達(dá)到了BEPCII 運(yùn)行要求。2009 年5 月，在1.89 GeV 能量下對撞亮度通過了國家驗(yàn)收。雖然這是和日本合作研發(fā)的超導(dǎo)腔，嚴(yán)格意義上說，更多的是日本幫助下完成的腔，但畢竟是中國第一個(gè)投入大科學(xué)裝置運(yùn)行的超導(dǎo)腔，有著重要的意義。

從世界上超導(dǎo)腔的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，特別是與BEPCII同類型的日本KEK 的B 介子工廠(KEKB)超導(dǎo)腔的運(yùn)行歷程看，超導(dǎo)高頻腔的故障帶有一定的突發(fā)性，發(fā)生幾率比較高，需要備用腔。因此，在BEPCII轉(zhuǎn)入運(yùn)行階段后，我們便開始了500 MHz超導(dǎo)腔的自主研制。如前所述，超導(dǎo)高頻技術(shù)是加速器前沿技術(shù)，掌握核心部件制造工藝和總體集成技術(shù)可突破國外壟斷，這也是我國獨(dú)立自主、掌握核心技術(shù)的必由之路。500 MHz 射頻超導(dǎo)腔系統(tǒng)包括：500 MHz 超導(dǎo)腔腔體、高功率輸入耦合器、高次模吸收器、恒溫器等關(guān)鍵部件。

圖 500 MHz超導(dǎo)高頻腔系統(tǒng)示意圖

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)幾年的刻苦鉆研、拼搏奮進(jìn)，終于自主完成了高頻腔系統(tǒng)的物理和工程設(shè)計(jì)，攻克了許多關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，如：旋壓成型、電子束焊接、化學(xué)拋光、高壓水噴淋、垂直測試等。取得了一系列突破性進(jìn)展：

1.完成了兩只500 MHz鈮腔旋壓成型、整腔焊接、表面處理、垂直測試、水平測試;

2. 自主研制的高功率輸入耦合器通過了420kW連續(xù)波高頻功率，達(dá)到了世界先進(jìn)水平;

3. 研制的高階模吸收器承載的高頻功率達(dá)到了4.4 kW，吸收效率超過60%，達(dá)到同類設(shè)備的世界水平;

4. 恒溫器完成研制。

2017 年10 月，500 MHz 國產(chǎn)超導(dǎo)腔正式投入BEPCII 運(yùn)行，在很短的時(shí)間內(nèi)便達(dá)到了束流要求，性能優(yōu)異。近五年過去了，故障率很低，運(yùn)行狀態(tài)良好。每套超導(dǎo)腔系統(tǒng)均可在1.5 MV電壓下900 mA束流運(yùn)行，高頻功率超過130 kW?！斑_(dá)到了國外同類設(shè)備的性能水平，這是國產(chǎn)超導(dǎo)腔首次代替進(jìn)口超導(dǎo)腔在大科學(xué)裝置上實(shí)現(xiàn)了長期穩(wěn)定運(yùn)行，標(biāo)志著我國500 MHz超導(dǎo)腔系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破，躋身于世界少數(shù)幾個(gè)能夠成功研制500 MHz超導(dǎo)腔系統(tǒng)的國家之列”——專家鑒定會結(jié)論。

三、創(chuàng)新

我國核電發(fā)展要解決燃料穩(wěn)定供應(yīng)和廢料安全處置兩大難題，后者也是尚未解決的國際難題。而加速器驅(qū)動次臨界嬗變系統(tǒng)(ADS)被認(rèn)為是理想的長壽命放射性廢物焚燒爐。ADS由加速器、散裂靶和反應(yīng)堆組成，其原理是利用加速器產(chǎn)生的高能離子轟擊散裂靶產(chǎn)生高通量、硬能譜中子驅(qū)動次臨界堆芯運(yùn)行達(dá)到嬗變長壽命核素的目的。

2011 年初，高能物理研究所和近代物理研究所共同擔(dān)負(fù)起中科院先導(dǎo)專項(xiàng)——ADS加速器的任務(wù)，對于加速器來說，最大的難題是低能段連續(xù)波加速器。當(dāng)時(shí)，有兩條技術(shù)路線可選擇：輪輻超導(dǎo)腔(spoke)加速器和半波長超導(dǎo)腔(HWR)加速器。當(dāng)時(shí)，國際上對HWR超導(dǎo)腔研究得比較多，有研發(fā)出來的腔。也有的國家研發(fā)過(β值比較高)spoke超導(dǎo)腔，相對來說，β值低的spoke 腔的技術(shù)難度較高，但前端由于能量不夠，必須采用β值很低的腔。一些國家后來因難度高改變了技術(shù)路線，但spoke腔的腔型和加速效率有比較大的優(yōu)勢。對于我們來說，這兩條技術(shù)路線都沒有基礎(chǔ)，都有不同程度的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，而且先導(dǎo)專項(xiàng)的完成具有時(shí)間節(jié)點(diǎn)。最后，高能所承擔(dān)了spoke 腔的技術(shù)路線驗(yàn)證工作，近代物理所承擔(dān)了HWR的技術(shù)路線驗(yàn)證工作。當(dāng)時(shí)的起步是非常艱難的，spoke 腔的設(shè)計(jì)和研發(fā)難度很大。前面提到，它的β值必須很小(β=0.12)，是國際上最小的，這意味著腔的縱向長度很短，這會帶來腔的不穩(wěn)定等諸多問題。當(dāng)時(shí)，國際上已有的技術(shù)對我們是封鎖的。我們專項(xiàng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近七年努力，成功研發(fā)了具有國際創(chuàng)新性的首個(gè)由14 個(gè)極低β值輪輻型射頻超導(dǎo)腔系統(tǒng)集成的毫安級連續(xù)波超導(dǎo)質(zhì)子直線加速器，成功實(shí)現(xiàn)了10 mA/10 MeV 的設(shè)計(jì)目標(biāo)，掌握了系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和多系統(tǒng)集成及調(diào)試方法，成功驗(yàn)證了ADS輪輻型超導(dǎo)加速器的技術(shù)路線，在多項(xiàng)核心技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了國際性突破，是我國質(zhì)子超導(dǎo)加速器的一個(gè)重要里程碑。研發(fā)出的指標(biāo)領(lǐng)先的極低β值spoke 腔造價(jià)是國際報(bào)價(jià)的二十分之一。這一成果在國際上產(chǎn)生了重要影響，關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于眾多項(xiàng)目上。

正在建設(shè)中的高能同步輻射光源是我國的第一個(gè)高能光源，也是目前世界最亮的光源，這對光源的高頻系統(tǒng)也提出了很高的要求。光源的高頻系統(tǒng)采用的是166.6 MHz 和500 MHz 的超導(dǎo)高頻腔。特別是166.6 MHz的超導(dǎo)腔，原本是只用于加速質(zhì)子，在光源里創(chuàng)新性地用于加速電子，做了許多改進(jìn)，目前已研制成功。目前，首支166.6 MHz超導(dǎo)腔垂測達(dá)標(biāo);首批166.6 MHz 超導(dǎo)腔高功率耦合器也完成加工制造并測試達(dá)標(biāo)。

四、超越

1.3 GHz 9-cell 超導(dǎo)腔是國際上使用最多的超導(dǎo)腔，廣泛應(yīng)用于國際直線對撞機(jī)(ILC)、環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)(CEPC)、歐洲X射線自由電子激光(EXFEL)、美國直線加速器相干光源(LCLS-II)、上海硬X射線自由電子激光(SHINE)等加速器上。高性能(高品質(zhì)因數(shù)、高梯度)1.3 GHz 超導(dǎo)腔是國際前沿攻關(guān)課題，是國際上幾個(gè)大型實(shí)驗(yàn)室競相發(fā)展的技術(shù)。

2010 年，高能所研制出了第一支1.3 GHz 9-cell超導(dǎo)腔，這是非常重要的一步，但由于當(dāng)時(shí)條件比較簡陋，加速梯度剛剛達(dá)到20 MV/m，距離ILC 的加速梯度目標(biāo)(31.5 MV/m)還有一定差距。此后，研究人員在先進(jìn)光源研發(fā)與測試平臺(PAPS)、CEPC預(yù)研項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)的支持下，研制了電拋光(國內(nèi)首臺正式投入使用的實(shí)用型超導(dǎo)腔電拋光設(shè)備)、預(yù)調(diào)諧機(jī)、光學(xué)內(nèi)窺鏡等多臺關(guān)鍵設(shè)備，并新建了超導(dǎo)腔測試系統(tǒng)、大型潔凈間等基礎(chǔ)設(shè)施，持續(xù)改進(jìn)腔加工和表面處理技術(shù)，使得腔加速梯度不斷提高。2020 年，1.3 GHz 9-cell 超導(dǎo)腔經(jīng)過電拋光處理后，加速梯度達(dá)到了35.9 MV/m，達(dá)到了國際先進(jìn)水平，單cell腔的梯度更是接近了理論極限。

在提高加速梯度的同時(shí)，我們也在采用各種技術(shù)手段提高1.3 GHz 9- cell 超導(dǎo)腔的Q0 值。2013年，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室首先提出了采用氮摻雜(nitrogen doping)的方法提高超導(dǎo)腔Q0 值，并應(yīng)用于LCLS-II 的1.3 GHz 9-cell 超導(dǎo)腔上。高能所緊隨其后，也開展了氮摻雜技術(shù)的研究，在1.3 GHz 1-cell 超導(dǎo)腔上取得了不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：Q0值最高達(dá)到了4.5×1010@16 MV/m。與國內(nèi)外很多實(shí)驗(yàn)室一樣，經(jīng)過氮摻雜處理后的1.3 GHz 1-cell 超導(dǎo)腔，Q0雖然提高了，但Eacc下降了很多，而且穩(wěn)定性差、成品率不高。因此，氮摻雜工藝不敢輕易用在1.3GHz 9-cell腔上。

怎么辦?正當(dāng)我們?yōu)槿绾翁岣?.3 GHz 9-cell超導(dǎo)腔的品質(zhì)因數(shù)而感到彷徨時(shí)，得知日本的高能加速器研究機(jī)構(gòu)(KEK)的1.3 GHz 1-cell 超導(dǎo)腔經(jīng)過中溫退火處理后，Q0得到了大幅提升，同時(shí)Eacc下降也不多。于是，我們也立即開始摸索著開展了1.3 GHz 1-cell 超導(dǎo)腔的中溫退火實(shí)驗(yàn)，并取得了成功。在此基礎(chǔ)上，我們快馬加鞭、創(chuàng)新工藝，將中溫退火方法創(chuàng)新性地應(yīng)用于9-cell 超導(dǎo)腔上，取得了巨大的成功，在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了1.3 GHz 9-cell 超導(dǎo)腔的中溫退火工藝和小批量超導(dǎo)腔的試制，超導(dǎo)腔的品質(zhì)因數(shù)((3.6-4.2)×1010@16 MV/m)達(dá)到了1.3 GHz 9-cell 超導(dǎo)腔的國際領(lǐng)先水平。這項(xiàng)成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《超導(dǎo)科技》上。腔的水平測試也取得了成功，取得了出色的結(jié)果?；诖耍筮B化物所的1.3 GHz 超導(dǎo)腔模組委托了高能所研發(fā)。

此外，環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)(CEPC)的650MHz超導(dǎo)腔采用電拋光處理后，最高加速梯度達(dá)到了41.6 MV/m，而經(jīng)過中溫退火處理后，在22 MV/m的加速梯度下，品質(zhì)因數(shù)超過了8×1010，達(dá)到了P 波段(0.23~1 GHz)超導(dǎo)腔的國際領(lǐng)先水平。

高能所在1.3 GHz和650 MHz超導(dǎo)腔上開展的高加速梯度和高品質(zhì)因數(shù)關(guān)鍵技術(shù)研究，為我國自主建設(shè)CEPC和X射線自由電子激光(XFEL)裝置、參與國際直線對撞機(jī)(ILC)和未來環(huán)形對撞機(jī)(FCC)等國際大科學(xué)工程合作奠定了重要基礎(chǔ)。特別是，在國際上首次創(chuàng)新使用中溫退火工藝于1.3 GHz 9-cell 腔，取得了重大突破，腔的品質(zhì)因數(shù)大幅提升，一躍達(dá)到和超過了國際最好水平，“性能均超過了上海硬X射線自由電子激光裝置(SHINE)、美國直線相干光源二期能量升級項(xiàng)目(LCLS-II-HE)的超導(dǎo)腔設(shè)計(jì)指標(biāo)，平均品質(zhì)因數(shù)優(yōu)于LCLS-II-HE摻氮超導(dǎo)腔。該成果為我國高Q值1.3 GHz 9-cell 超導(dǎo)腔的批量制造奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為我國建設(shè)國際領(lǐng)先的高重頻自由電子激光裝置和未來高能正負(fù)電子對撞機(jī)提供了新的工藝方案”(鑒定會專家意見)。成果已轉(zhuǎn)入正式批量應(yīng)用于國內(nèi)大型超導(dǎo)加速器。

圖 高能所1.3 GHz 9-cell超導(dǎo)腔測試結(jié)果(左)、美國1.3 GHz 9-cell超導(dǎo)腔測試結(jié)果(右)

五、結(jié)束語

在陳和生所長、王貽芳所長以及老一輩科學(xué)家的關(guān)懷和領(lǐng)導(dǎo)下，高能物理研究所射頻超導(dǎo)走過了二十多年的風(fēng)風(fēng)雨雨，從剛開始的白手起家、跌宕起伏，經(jīng)歷了從無到有、由弱到強(qiáng)，到后來的蓬勃興起、發(fā)展壯大——成立了射頻超導(dǎo)與低溫研究中心，由實(shí)驗(yàn)室摸索到整套技術(shù)掌握，再到整個(gè)射頻超導(dǎo)模組集成，投入大科學(xué)裝置使用，趕超世界一流水平，最后到成果支撐于國家基于加速器的大科學(xué)裝置。盡管如此，我們深知，這是暫時(shí)的領(lǐng)先，前面還有很長的路，還有更多的創(chuàng)新，我們不敢懈怠，仍在努力，想著在國際賽道上跑得更快、更遠(yuǎn)。

審核編輯：湯梓紅